第十七届智能车越野硬件篇——无刷电机驱动

电机驱动板工作单元规划

该无刷驱动板使用的是航模3S电池为整个电路供电，使用MM32SPIN360C作为驱动的主控芯片。
该芯片使用高性能的 Arm® Cortex®-M0 为内核的 32 位微控制器，最高工作频率可达 96MHz，内置高速存储器，丰富的 I/O 端口和多种外设。

• 包含 12 位的 ADC，采样速度高达 1MHz
• 5 个通用定时器、2 个针对电机控制的 PWM 高级定时器
• 1 个 I2C 接口、2 个 SPI 接口和 2 个 UART 接口
• 针对电机应用内置 3 个运放，3 个比较器
• 预驱工作电压高达 75V
• 工作温度范围（环境温度）-40℃ - 85℃
• 提供 QFN48 封装

查询芯片使用手册可知
当我们使用3S进行12V供电，芯片内部会自己附带降压至5V的功能，可以让整体电路的设计变得更方便。由于360C主控可以直接输入12V供电电压，其内部自带5V降压电路，所以在原理图设计中不需要使用外部降压电路；为了更直观的观察到芯片工作的状态，添加了4个LED指示灯(LED1,LED2,LED3,LED4)；同时预留了下载接口，用于方便给360C更新程序；霍尔接口用于连接无刷电机的霍尔传感器，用来读取当前转子的实时位置；无刷驱动还需要接收来自主板输入的PWM信号，所以还需要接收来自主板的PWM和DIR的接口；由于电机驱动部分的电压电流都会比较大，为了防止反向击穿烧毁主控的IO口，还增加了一些额外的保护电路，最后主角就是负责产生电压变换的三相桥。

器件选型及原理图绘制

确定好驱动板所需的工作单元后就可以开始选型了，根据上面的需求寻找自己所需的器件，这里参考的使逐飞的方案，也可以参考网上其他人的成品电路，如果没有相关的积累，也不知道该怎么搜索资料的，可以直接打开立创商城进行筛选，也可以去其他芯片采集网址进行适配,笔者此处选用的是立创商城。

电源部分

由于360C内部自带5V降压电路，并且霍尔传感电路和下载电路等都是5V供电。故无需外部的降压电路；但是为了防止浪涌等情况，故加入了TVS二极管D1和D9，并且加入了C18和C19两个470UF的大电容。这两个大电解电容的作用是当无刷驱动上电时或者无刷电机急需用电的时候，这里的电解电容会立马将电容中储存的电能释放出来。若没有大电解电容，而直流无刷电机在启动的瞬间需要大电流，则会把整个的母线电压拉低，甚至还会将单片机重启，所以需要大电解电容来充当备用电源。这里推荐唐老师讲解的直流无刷电机BLDC控制系统PCB设计。

还加入了过压保护电路。过压保护芯片使用的是ETA7014，ETA7014是一款高压36V过电压保护器(OVP)，它具有非常低的35mohm电阻，只需改变外部连接。它可以用作OVP装置或高压开关。还有一些逻辑和保护模块。ETA7014能对输入浪涌反应非常快并在0.1us以内切换，并承受电压尖峰高达20V。查询芯片手册可以看到7014的外部电路连接。

稍加修改一下电阻的阻值，便可得到我们所需要的保护电压。

电流检测

在电机控制中，电流是一个非常重要的参数，电流过大会烧毁驱动电路甚至是烧毁电机。所以需要一个电流检测电路。
单片机显然是没法直接采集电流信号的；外界信号量最常用的就是ADC进行采集，各种信号量经过对应传感器变换后，转换成电压信号，供单片机进行采集，对于电流的采集，也是同理，电流和电压联系起来的最直接的器件就是电阻，只需要在电路中接入一个足够小的精密电阻，就可以将电流转换成电压信号，这个电压信号经过运放的处理后，使用ADC采集，然后根据放大倍数和电阻值就可以得出电流值。
而电流采集的方案又有多种，包含高侧电流采集、低侧电流采集，两相和三相分流等方案。
这里使用的是采集两个桥臂的低侧电流以及总的低侧电流。

由于360C芯片内置4个运放，故电流采集电路使用了内置运放，如下图：

但是这里逐飞给的原理图是有一点问题的，我们先来看看官方给的原理图

这里官方给的原理图中，运放的放大倍数=R48/R56=4.99K/1K=5倍，而再来对比逐飞的原理图

放大倍数=R34/R33=100倍，放大倍数增大这么多，难道这样不好吗？这里就存在着一个问题，就是360C内置的运放性能的不是很好，它的Vos是很大的，至于什么是Vos，不了解的可以参考这篇文章
你好，放大器——输入失调电压（Offset Voltage,Vos）。根据公式“（电流I * 采样电阻R + Vos）* 放大倍数”可以看出，由于360C内部运放的Vos本来就大，再乘以放大倍数100倍，将会导致误差非常的大，所以这里需要注意一下。
更多的电路设计方面的问题，唐老师的关于逐飞基于MM32的极速越野BLDC开源项目修改意见的视频里面就有详细的讲解。

栅极驱动及功率电路

无刷直流电机需要使用三相桥来进行驱动，具体的驱动原理可以参考此文一文看懂有刷电机与无刷电机的工作原理及区别。三相桥的功率电路其实和直流有刷电机的H桥类似，只是在此基础上增加了一个桥臂。有关这方面的介绍以及电路设计可以去看看唐老师的讲解。直流无刷电机BLDC,FOC。
选型方面，使用的NMOS是 HUAYI(华羿微)的HYG015N04LS1C2，通过查询数据手册，可知此NMOS完全符合要求。


下图为360C构成的自举电路，有关自举电路的介绍参考此文——自举电路原理分析。

这里的电阻和二极管FR107，他们的作用是消除MOS导通时的振铃现象，有关这个现象可以查看这个视频——让MOS烧的值得 振铃,杂散电感知识讲解。

关于mos管栅极串接电阻的作用的研究，或者参考这篇文章无刷驱动设计——浅谈MOS驱动电路。在此参考电路的基础上，笔者还在栅极增加了一个10K的下拉电阻，这个电阻的作用之一是在电路上电时给栅极一个确定的电平，防止上电时的误导通，作用之二是给Cgs寄生电容提供一个放电路径，消耗掉寄生电容里面存储的电能，详细介绍可以参考此视频——MOS管开关电路上下拉电阻的作用。


至此整个硬件电路的原理图部分就大致完成了。

PCB绘制注意事项

1， 如图，在绘制MOS电路时需要注意的是从栅极出来接入单片机的回路面积要尽可能的小，并且导线也不能太细。

2， 连接无刷电机的三相走线一定要尽可能的粗，因为它要走大电流，并且一定要开窗，为了方便后期补锡。

3，再就是后期焊接了，需要注意的是MM32SPIN360C的焊接了，先使用热风枪将芯片固定，然后用电烙铁慢慢拖焊，注意别虚焊和别把引脚焊短接就行了。

这个部分内容比较多，在TI的官网上有专门的文档，链接留给大家自行学习：
1，电机驱动器电路板布局的最佳实践。
2，大功率电机驱动器应用的系统设计注意事项。
3，针对使用 BLDC 电机的电动自行车的硬件设计注意事项。
另外还可以查看上面的唐老师讲电赛的视频，对PCB的绘制也有介绍。

17届完赛资料

以上就是本人对17届越野硬件的分析，更多详细资料本人已上架海鲜市场，价格优惠，请有兴趣的移步查看。
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